The Ball powderLe Ball powder

January 5th, 2010 Posted in chemistry, propellant January 5th, 2010 Posted in chimica, propellenti

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2 Flattened Ball powder Hodgdon BLC2
first plan of a wheat (photo to the SEM) primo piano di un grano (foto al SEM)

On a preceding article (you see to the link) we have given a first distinction of the dusts infumi doing reference to the technique used for the gelatinizzazione of the nitrocellulose. Without doubt, the processes and the formalities of production of the propellent dusts present so numerous changes, to make a swift and schematic classification almost impossible. As well as the distinctions already done for the agent gelatinizzante used, for the single or double base, or it anchors for the technique of carrying out of the wheats between rolled dusts, estruse or granular, remains still to cite a great family of the dusts infumi, that one ball powder. This name, which it might translate in “spheroidal dusts”, does not refer only to the shape of the granules, but to the whole process of production that nevertheless when dusts were remaining unchanged in his chemical bases compared to another infumi, has been revolutionised deeply on the times and in the operative methods. Su un precedente articolo (vedi al link) abbiamo dato una prima distinzione delle polveri infumi facendo riferimento alla tecnica utilizzata per la gelatinizzazione della nitrocellulosa. Senza dubbio, i processi e le modalità di produzione delle polveri propellenti presentano così numerose varianti, da rendere quasi impossibile una classificazione rapida e schematica. Oltre alle distinzioni già fatte per l’agente gelatinizzante impiegato, per la base singola o doppia, od ancora per la tecnica di realizzazione dei grani tra polveri laminate, estruse o granulari, rimane ancora da citare una grande famiglia delle polveri infumi, quella delle ball powder. Questo nome, che si potrebbe tradurre in “polveri sferoidali”, non si riferisce soltanto alla forma dei granuli, bensì all’intero processo di produzione che pur restando inalterato nelle sue basi chimiche rispetto alle altri polveri infumi, è stato profondamente rivoluzionato nei tempi e nei metodi operativi.

The standard progress for the propellant production based on nitrocellulose asks, as well as numerous and expensive manipulations, for a time period in the order of the months for each manufacture State lottery, with the consequence of the dangerous accumulation of great quantities in the course of manufacture; this principally of the necessity of eliminating at the nitrocellulose, after the nitration process, each trace of residual acidity that compromises the stability it. The deacidificazione process turns out to be particularly difficult, be because of the phenomena of adsorption (the acids become attached to the surfaces of the fibre) be for the numerous cavities in the cellulose filaments. At such cavities it is difficult that the residual acids (preskilfully sulphuric acid) sieve to the washing water. Of against, an acid remainder would speed those processes of spontaneous decomposition up for ageing that determine the formation of gas, oxides of the carbon and above all of nitrogen. These last combining with the oxygen and the dampness of the air, give place to other acids that speed up later on the deterioration of the nitrocellulose (auto-catalyzed reaction). The deterioration usually determines the emanation of a pungent smell and can lead dangerously a spontaneous lighting. Il procedimento standard per la produzione di propellenti a base di nitrocellulosa richiede, oltre a numerose e costose manipolazioni, un periodo di tempo nell’ordine dei mesi per ciascun lotto di fabbricazione, con la conseguenza dell’accumulo pericoloso di grandi quantità in corso di lavorazione; ciò principalmente per la necessità di eliminare dalla nitrocellulosa, dopo il processo di nitrazione, ogni traccia di acidità residua che ne compromette la stabilità. Il processo di deacidificazione risulta particolarmente difficoltoso, sia a causa dei fenomeni di adsorbimento (gli acidi si legano alle superfici della fibra) sia per le numerose cavità nei filamenti di cellulosa. Da tali cavità è difficile che gli acidi residui (prevalentemente acido solforico) passino all’acqua di lavaggio. Di contro, un residuo acido accelererebbe quei processi di decomposizione spontanea per invecchiamento che determinano la formazione di gas, ossidi del carbonio e soprattutto di azoto. Questi ultimi combinandosi con l’ossigeno e l’umidità dell’aria, danno luogo ad altri acidi che accelerano ulteriormente il deterioramento della nitrocellulosa (reazione auto-catalizzante). Il deterioramento determina di solito l’emanazione di un odore acre e può condurre pericolosamente ad una accensione spontanea.

Cellulose fibres (photo to the SEM) Fibre di cellulosa (foto al SEM)

The long process of deacidificazione of the nitrocellulose asks at least for 4 preliminary washings in tini with boiling water and following rinses with cold water, sequence that it uses about 40 hours; a following polpaggio: the nitrocellulose is minced in short fibres to facilitate the leak of the acid with the cavities (there are added also salts as the carbonate of sodium for a better neutralisation); and at last still a series of washings between boiling and rinses. This for a total of a ventina of passages and a total duration of further 52 hours of treatment. Il lungo processo di deacidificazione della nitrocellulosa richiede almeno 4 lavaggi preliminari in tini con acqua bollente e successivi risciacqui con acqua fredda, sequenza che impiega circa 40 ore; un successivo polpaggio: la nitrocellulosa viene sminuzzata in corte fibre per facilitare la fuoriuscita dell’acido dalle cavità (vengono aggiunti anche dei sali come il carbonato di sodio per una migliore neutralizzazione); ed infine ancora una serie di lavaggi tra bolliture e risciacqui. Questo per un totale di una ventina di passaggi ed una durata complessiva di oltre 52 ore di trattamento.

Fibres from cotton (photo to the SEM) - the cotton is constituted by almost pure cellulose and often it is shared by this material for the obtaining of the nitrocellulose (in the specific thing: nitrocotone) - with the cotton, the cavities in the fibres are even present. The fibres have in fact shape tubular flattened quarry Fibre di cotone (foto al SEM) - il cotone è costituito da cellulosa quasi pura e spesso si parte da questo materiale per l’ottenimento della nitrocellulosa (nello specifico: nitrocotone) - con il cotone, le cavità nelle fibre sono ancora più presenti. Le fibre hanno infatti forma cava tubolare appiattita

There applied himself to the study of the stabilisation of the nitrocellulose, from faraway 1920, the American chemist Fred Olsen whose name will remain for ever tied to the development of the ball powder. It attached to the factory of munitions for the army of the Arsenal of Picatinny (New Jersey), in spite of the disinterestedness of the official authorities, it continued the studies on the stabilisation of the nitrocellulose for his account, until it joined to discover the rational utilisation of the difenilammina and to devise a process of completely original manufacture that it put to fruit in 1929 passing to the Western Cartridge Company of the industries Olin. Si applicò allo studio della stabilizzazione delle nitrocellulose, fin dal lontano 1920, il chimico americano Fred Olsen il cui nome rimarrà per sempre legato allo sviluppo delle ball powder. Addetto alla fabbrica di munizioni per l’esercito dell’Arsenale di Picatinny (New Jersey), nonostante il disinteresse delle autorità ufficiali, continuò gli studi sulla stabilizzazione della nitrocellulosa per suo conto, finché giunse a scoprire l’utilizzazione razionale della difenilammina e ad escogitare un processo di fabbricazione completamente originale che mise a frutto nel 1929 passando alla Western Cartridge Company delle industrie Olin.

Olsen guessed the necessity of inverting the order of the processes of boiling and polpaggio, the polpaggio in fact was freeing the acids trapped in the cavities of the filaments, already going contaminating the external parts of the fibre deacidificate during the boiling, besides thanks to the help of the difenilammina it managed to obtain a halving of the times necessary to the stabilisation of the nitrocellulose. The difenilammina in low percentage, as well as having a stabilising effect on the finished nitrocellulose, has the property of acids are absorbed by the fibres more avidly, takes then the place it freeing the acid in the washing solution. Olsen intuì la necessità di invertire l’ordine dei processi di bollitura e polpaggio, il polpaggio infatti liberava gli acidi intrappolati nelle cavità dei filamenti, andando a contaminare le parti esterne della fibra già deacidificate durante la bollitura, inoltre grazie all’ausilio della difenilammina riuscì ad ottenere un dimezzamento dei tempi necessari alla stabilizzazione delle nitrocellulose. La difenilammina in bassa percentuale, oltre ad avere un effetto stabilizzante sulla nitrocellulosa finita, ha la proprietà di essere assorbita dalle fibre più avidamente degli acidi, ne prende quindi il posto liberando l’acido nella soluzione di lavaggio.

The process for the manufacture of the ball powder that the same Olsen adjusted, combines well with the sequence for the swift stabilisation of the nitrocellulose and represents a suited method for the dusts production to fixed solvent whose wheats can be covered at delayed or speeded up substances. The nitrocellulose, after having had been polpata and subjected instant to a first boiling to reduce the acid content, it can be used directly without the help of other passages of deacidificazione. After having been been mixed to water and ground, dust can be used also infume by now deteriorated, containing products of acid decomposition. Il processo per la fabbricazione delle ball powder che lo stesso Olsen mise a punto, si combina bene con la sequenza per la stabilizzazione rapida della nitrocellulosa e rappresenta un conveniente metodo per la produzione di polveri a solvente fisso i cui grani possono essere rivestiti da sostanze ritardanti o acceleranti. La nitrocellulosa, subito dopo essere stata polpata e sottoposta ad una prima bollitura per ridurre il contenuto acido, può essere utilizzata direttamente senza l’ausilio di altri passaggi di deacidificazione. Dopo essere stata miscelata ad acqua e triturata, può essere usata anche polvere infume ormai deteriorata, contenente prodotti di decomposizione acida.

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2 Flattened Ball powder Hodgdon BLC2
smooth and compact globular wheats (photo to the SEM) grani globulari lisci e compatti (foto al SEM)

Anyone is the first used matter, the first necessity is that one of stabilising it with the complete removal of the acid. To this end, in the original process, the departure material in water presence is released by an agitator in acetate of containing ethyl difenilammina, to form a kind of sirup said lacquers or paint. As indicated, the difenilammina is absorbed by the nitrocellulose the majority easily of the already present acid. At the same time there are added the additive ones or any other substance that wants to merge in the dust in order that in case the burning instalments varies it (flemmatizzanti) or the deflagration temperature (cooling), etc. Qualunque sia la materia prima utilizzata, la prima necessità è quella di stabilizzarla con la completa rimozione dell’acido. A tal fine, nel processo originale, il materiale di partenza in presenza di acqua viene disciolto da un agitatore in acetato di etile contenente difenilammina, per formare una sorta di sciroppo detto lacca o vernice. Come accennato, la difenilammina viene assorbita dalla nitrocellulosa più facilmente dell’acido già presente. Allo stesso tempo si aggiungono gli additivi o qualsiasi altra sostanza che si desideri incorporare nella polvere per eventualmente variarne il burning rate (flemmatizzanti) o la temperatura di deflagrazione (raffreddanti), etc.

The phase of water and nail varnish is mixed then for 30 minutes obtaining the stabilised nitrocellulose. They are still introduced then into the solution, starch or gum-arabic to guarantee the necessary colloidal consistency, after the passage to a distiller in pressure, the temperature is raised so that the paint becomes less viscous. At this point the nitrocellulose presents itself as a separate layer that floats on the water of the distiller (the ethyl acetate gelatinizza the nitrocellulose). This layer is fragmented by rotated shovels and the liquid fragments go forming it drip spheric in emulsion. The dimensions of the globules can be regulated at the degree of mechanical agitation. When there are reached the dimensions wanted the shovels of the agitator they are stopped and the pressure is reduced, the ethyl acetate is distilled and recovered. If the distillation is made too quickly, the wheats assume the shape of bows. She is made to a such rhythm that the winged solvent could evaporates at the surface of the globules with the same speed of all that he moves on the inside towards the surface of the same ones, smooth, dense spheroidal wheats are obtained and of homogeneous structure. La fase di acqua e lacca viene quindi mescolata per 30 minuti ottenendo la nitrocellulosa stabilizzata. Vengono quindi introdotti ancora nella soluzione, amido o gomma arabica per garantire la necessaria consistenza colloidale, dopo il passaggio ad un distillatore in pressione, la temperatura viene elevata in modo che la vernice diventi meno viscosa. A questo punto la nitrocellulosa si presenta come uno strato separato che galleggia sull’acqua del distillatore (l’acetato di etile gelatinizza la nitrocellulosa). Questo strato viene frammentato da pale ruotanti ed i frammenti liquidi vanno a formare goccioline sferiche in emulsione. Le dimensioni dei globuli possono essere regolate dal grado di agitazione meccanica. Quando sono raggiunte le dimensioni volute le pale dell’agitatore vengono fermate e la pressione viene ridotta, l’acetato di etile viene distillato e recuperato. Se la distillazione è effettuata troppo rapidamente, i grani assumono la forma di fiocchi. Se essa viene effettuata ad un ritmo tale che il solvente volatile possa evapora dalla superficie dei globuli alla medesima velocità di quanto esso si muova dall’interno verso la superficie degli stessi, si ottengono dei grani sferoidali lisci, densi e di struttura omogenea.

Eliminating the ethyl acetate, I harden the nitrocellulose spheres to themselves keeping back part of the water in which they are immersed. To facilitate the dehydration it, there is increased progressively the saline content of the watery solution adding sulphate of sodium (a salt). In this way an osmotic transfer is guided through the surface of the wheats: the water to smaller saline content, tends to transfer on the inside granules to itself to the external solution, being this to higher saline concentration. To happened dehydration, the saline solution is returned by new water. Eliminando l’acetato di etile, le sfere di nitrocellulosa si indurisco trattenendo parte dell’acqua in cui si trovano immerse. Per facilitarne la disidratazione, si incrementa progressivamente il contenuto salino della soluzione acquosa aggiungendo solfato di sodio (un sale). In questo modo si avvia un trasferimento osmotico attraverso la superficie dei grani: l’acqua a minor contenuto salino, tende a trasferirsi dall’interno dei granuli alla soluzione esterna, essendo questa a concentrazione salina più alta. A disidratazione avvenuta, la soluzione salina viene ricambiata con nuova acqua.

After the (partial) dehydration, the nitrocellulose spheres are soaked (imbibition) in just dose with a nitroglycerin emulsion. In the same phase other covering agents can be added also for example flemmatizzanti and cooling. Later of what, the dust is dried, leaving the nitroglycerin and other substances put down on the surface of the wheats to form a cuticle of middle thickness. The dust comes then grafitata (improvement of the fluency and reduction of the accumulation of static electricity), the granules are selected according to the dimensions and the density, there is eliminated the discarding that is reworked, at last the mixtures form of several State lotteries in the way of standardising the production. For some dusts, in order to modify and level the times combustivi wheats and in some cases to facilitate the lighting (typically difficult in the ball powder because of the first described cuticle) it, it are foreseen that also an intermediate calendering phase: the wheats are passed between hot rolls in steel in the way of deforming them plastically spheroidal to discoidali, flattening them to the same thickness and obtaining, if it desires, also a fracture of the covering (surpassing the medial line of the wheat); the dusts in this case are identified as “flattened ball powder”. Dopo la disidratazione (parziale), le sfere di nitrocellulosa vengono impregnate (imbibizione) in giusta dose con una emulsione di nitroglicerina. Nella medesima fase si possono aggiungere anche altri agenti di rivestimento ad esempio flemmatizzanti e raffreddanti. Dopo di che, la polvere si essicca, lasciando la nitroglicerina e le altre sostanze depositate sulla superficie dei grani a formare una cuticola di medio spessore. La polvere viene poi grafitata (miglioramento della scorrevolezza e riduzione dell’accumulo di elettricità statica), si selezionano i granuli secondo le dimensioni e la densità, si elimina lo scarto che viene rilavorato, infine si formano le miscele dei vari lotti in modo da standardizzare la produzione. Per alcune polveri, al fine di modificare ed uniformare i tempi combustivi dei grani ed in alcuni casi facilitarne l’accensione (tipicamente difficile nelle ball powder a causa della cuticola prima descritta), si prevede anche una fase intermedia di calandratura: i grani vengono passati tra rulli caldi in acciaio in modo da deformarli plasticamente da sferoidali a discoidali, appiattendoli al medesimo spessore ed ottenendo, se desiderata, anche una frattura del rivestimento (prevalente sulla linea mediana del grano); le polveri in questo caso si identificano come “flattened ball powder”.

The calendering process solves also a problem of costs of production. In fact, really for the method used in the definition of the dimension of the wheats, it is not possible to obtain with precision globules of only tribute. It would determine this, in phase of dimensional selection, a remarkable pulling down of the produced quantities and a big part of the dust would be reworked by it (above all for dusts with wheats of little diameter). The calendering lets bring near the ballistic characteristics of the biggest wheats, which are flattened, to those do not get deformed wheats of inferior diameter. Also therefore it is typical to find jointly wheats flattened and not flattened in the same dust manufacture. Il processo di calandratura risolve anche un problema di costi di produzione. Infatti, proprio per il metodo usato nella determinazione della dimensione dei grani, non è possibile ottenere con precisione globuli di taglia unica. Questo determinerebbe, in fase di selezione dimensionale, un notevole abbattimento delle quantità prodotte ed una grossa parte della polvere andrebbe rilavorata (soprattutto per polveri con grani di piccolo diametro). La calandratura permette di avvicinare le caratteristiche balistiche dei grani più grossi, che vengono appiattiti, a quelle dei grani di diametro inferiore non deformati. Anche per questo è tipico trovare congiuntamente grani flattened e non flattened nella medesima confezione di polvere.
To notice that before the dryer, all the operations for the production of the ball powder are unwound in water, then safety catches. Da notare che prima dell’essiccazione, tutte le operazioni per la produzione delle ball powder sono svolte in acqua, quindi sicure.

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2 Flattened Ball powder Hodgdon BLC2

From the chemical - physical point of view the progress that we have summarily described presents several very important characteristics. Fundamental becomes the function of the difenilammina, which simple additive of the nitrocellulose mixture already gelatinizzata, absorbent of the oxides of nitrogen produced at the attack of the still present acid, passes now to essential component that acts on the fibres of the cellulose: there it penetrates completely and moves in practice all the acid coming from the nitration. In such a way with great efficaciousness and swiftness there is eliminated the cause of the decomposition of the nitrocellulose which becomes completely stable; and with this many dangers of the conservation are eliminated. This function of the difenilammina is completed instead only partially in the traditional working process. Dal punto di vista fisico-chimico il procedimento che abbiamo sommariamente descritto presenta parecchie caratteristiche molto importanti. Fondamentale diventa la funzione della difenilammina, la quale da semplice additivo dell’impasto di nitrocellulosa già gelatinizzata, assorbente degli ossidi di azoto prodotti dall’attacco dell’acido ancora presente, passa adesso a componente essenziale che agisce sulle fibre della cellulosa: vi penetra completamente e sposta in pratica tutto l’acido proveniente dalla nitrazione. In tal modo con grande efficacia e rapidità viene eliminata la causa della decomposizione della nitrocellulosa la quale diviene completamente stabile; e con ciò sono eliminati molti pericoli della conservazione. Questa funzione della difenilammina viene compiuta invece solo parzialmente nel processo tradizionale di lavorazione.

In the second place, the impregnation of the globules with nitroglycerin in emulsion after the gelatinizzazione and the addition of flemmatizzanti, allows to regulate with great precision the development of the combustion of the granule, forming an external layer, to will more or less often, to slowed down combustion. The combustion speed, and with her the development of the gases, is slowed down at the beginning and speeded up at the end compensating for the reduction of the dimensions of the wheat (the wheats burn for parallel layers). In such a way, there will be a progressive pressures development and without the overcoming of the limits of certainty, having returned also the maxim as push on the bullet. In secondo luogo, l’impregnazione dei globuli con nitroglicerina in emulsione dopo la gelatinizzazione e l’aggiunta di flemmatizzanti, consente di regolare con grande precisione lo sviluppo della combustione del granulo, formando uno strato esterno, a volontà più o meno spesso, a combustione rallentata. La velocità di combustione, e con essa lo sviluppo dei gas, viene rallentata all’inizio e accelerata alla fine compensando la riduzione delle dimensioni del grano (i grani bruciano per strati paralleli). In tal modo, si avrà uno sviluppo di pressioni progressivo e senza il superamento dei limiti di sicurezza, avendo anche la massima resa come spinta sul proiettile.

The group Olin put in production the ball powder in 1933 to East Alton in the Illinois, to throw the new dust the Winchester (always of the group Olin) put on the market the cartridges 308 Winchester and for the same calibre, a version relieved of the model 70 to repetition. The Department of the United States War, in front of the quality and the advantages of the new dust, absorbed almost the whole production and remarkable quantities were produced to the burst of the 2^nd world war. The first revolutionary consequence was that the same ballistic results could be obtained by cartridges whose case contains a lot of smaller dust volume and that therefore it can have very much got shorter: which smaller dimensions, fixed and I encumber of weapons and munitions reduced and costs saving. From these results there has derived the cartridge T65 for the arming unified NATO (also said:“ Of this year Ball Cartridge T65 ″ or it anchors “7,62 NATO”). These new munitions were able to generate the majority or less the same performances of.30-06 Springfield, nevertheless possessing smaller dimensions: particularly the case was measuring only 51mm against 63mm of.30-06. Il gruppo Olin mise in produzione la ball powder nel 1933 ad East Alton nell’Illinois, per lanciare la nuova polvere la Winchester (sempre del gruppo Olin) mise sul mercato le cartucce 308 Winchester e per il medesimo calibro, una versione alleggerita del modello 70 a ripetizione. Il Dipartimento della Guerra statunitense, di fronte alla qualità e ai vantaggi della nuova polvere, assorbì quasi tutta la produzione e notevoli quantità furono prodotte allo scoppio della 2^a guerra mondiale. La prima conseguenza rivoluzionaria fu che gli stessi risultati balistici potevano essere ottenuti con cartucce il cui bossolo contiene un molto minor volume di polvere e che perciò può essere molto accorciato: da cui minori dimensioni, peso e ingombro di armi e munizioni ridotti e risparmio di costi. Da questi risultati è derivata la cartuccia T65 per l’armamento unificato NATO (anche detta: “U.S. Ball Cartridge T65″ o ancora “7,62 NATO”). Questa nuova munizione era in grado di generare più o meno le stesse prestazioni del .30-06 Springfield, pur possedendo delle dimensioni minori: in particolare il bossolo misurava solo 51mm contro i 63mm del .30-06.

Speedy. Speedy.

Bibliography: Bibliografia:

“Technology of the portable fire-arms” of Giuseppe De Florentiis“Tecnologia delle armi da fuoco portatili” di Giuseppe De Florentiis
Milan - Publisher Ulrico Hoepli, 1987. Milano - Ulrico Hoepli Editore, 1987.
“Hatcher' s Notebook” of J.S.Hatcher “Hatcher’s Notebook” di J.S.Hatcher
Harrisburg (PA) - Stackpole Books, 1966 (III edition). Harrisburg (PA) - Stackpole Books, 1966 (III edizione).
“The Chemistry of Powder and Explosives” of Tenney L. Davis “The Chemistry of Powder and Explosives” di Tenney L. Davis
Hollywood (CA) - Angriff Press, 1972. Hollywood (CA) - Angriff Press, 1972.

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